Un recente studio condotto da scienziati europei mostra che sensori altamente sensibili basati sui centri colorati di un diamante possono essere utilizzati per registrare l'attività elettrica dei neuroni nel tessuto cerebrale vivente. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Scientific Reports .
Prima che le persone manifestino sintomi di malattie cerebrali come la demenza, di solito si sono già verificati lievi cambiamenti nel tessuto cerebrale. Può darsi che alcune parti del cervello si stiano gonfiando o che si stiano formando grumi di proteine. Questi piccoli cambiamenti potrebbero influenzare il modo in cui le cellule nervose nel cervello si segnalano e comunicano tra loro, nonché il modo in cui le informazioni vengono elaborate e memorizzate.
Gli scienziati medici vogliono studiare questi piccoli cambiamenti che si verificano nelle primissime fasi di una malattia. In questo modo, l’intenzione è quella di saperne di più sulle cause della malattia per fornire nuove conoscenze e trattamenti più efficaci. Oggi, gli studi microscopici sul cervello vengono eseguiti con una delle due strategie seguenti:ispezione ottica di campioni di tessuto cerebrale di animali o pazienti deceduti che soffrono della malattia studiata o misurazioni dei segnali provenienti dalle cellule nervose utilizzando fili, coloranti o luce.
Questi metodi, tuttavia, presentano alcune limitazioni:possono danneggiare il tessuto o modificare i segnali. Inoltre, potrebbero funzionare in modo diverso a seconda del tessuto che stai studiando; i segnali provenienti da alcune parti delle cellule nervose coinvolte in una particolare malattia possono essere difficili da misurare.
Gli scienziati della DTU, dell’Università di Copenaghen, dell’Ospedale universitario di Copenaghen, dell’Università della Sorbona e dell’Università di Lipsia hanno trovato un modo per misurare i segnali provenienti dal tessuto cerebrale senza toccare o inserire sonde ad ago al suo interno. Lo fanno misurando i deboli campi magnetici prodotti dalle cellule nervose durante la comunicazione. Per fare ciò hanno sfruttato il fatto che il campo magnetico viaggia invariato attraverso i tessuti.
"Nel complesso, l'idea è che il rilevamento del campo magnetico in definitiva non è invasivo. Non è necessario inserire elettrodi o sonde o colorare il tessuto che si desidera analizzare. Poiché si rileva il campo magnetico indotto, si ottengono informazioni sull'attività senza inserire un sensore fisico nel sistema o modificarlo in altro modo," afferma Alexander Huck, professore associato alla DTU Physics che ha supervisionato il progetto ed è coautore dello studio.
La misurazione dei campi magnetici indotti nel corpo umano non è fondamentalmente una novità, ma di solito richiede apparecchiature speciali ingombranti e che necessitano di raffreddamento criogenico. Pertanto, i metodi tradizionali non sono adatti per misurare piccoli campioni di tessuti viventi, per non parlare dei tessuti del cervello umano.
In questo progetto, il team di scienziati sta sfruttando piccoli difetti deliberati nei cristalli di diamante sintetico. Questi difetti sono chiamati centri di colore o, tecnicamente, centri di azoto vacante/centri NV. Il termine centri NV deriva dal fatto che nel diamante un atomo di carbonio è sostituito da un atomo di azoto e si trova accanto a un posto vacante, cioè dove non è presente alcun atomo. Ciò fa sì che i centri consentano l'assorbimento della luce e, dopo aver rilasciato energia, l'emissione di luce.
"Questi centri di colore NV hanno anche un elettrone spaiato effettivo con uno spin, e se c'è un campo magnetico, lo spin dell'elettrone oscilla attorno a quel campo. Quindi, se il campo magnetico aumenta o diminuisce, oscillerà un po' più velocemente o un po' più lentamente e possiamo misurare questi cambiamenti tramite l'emissione di luce dei centri di colore NV," spiega Huck.
La configurazione sperimentale è la seguente:in una camera su scala centimetrica, una fetta di tessuto cerebrale viene posizionata su strati isolanti di fogli di alluminio. Il diamante è incastonato in un foro sul fondo della camera, sotto gli strati isolanti. Un laser verde e un'antenna a microonde vengono quindi puntati verso il centro colorato del diamante e viene registrata l'emissione di luce dal diamante. Quando gli scienziati stimolano i neuroni nel tessuto ad attivarsi simultaneamente, possono misurare i cambiamenti nella luminosità dell'emissione di luce dai centri del colore.
Fondamentalmente, la luce laser e le microonde non raggiungono mai il tessuto cerebrale - non un vero cervello umano in questo caso, ma il tessuto del cervello di un topo - i cambiamenti nel campo magnetico vengono semplicemente monitorati utilizzando i centri di colore NV.
"Quando i neuroni nel tessuto cerebrale si attivano, ciò indurrà un campo magnetico che quindi modificherà l'emissione di luce e la luminosità del diamante, che registriamo come segnale ottico", afferma Huck.
Nei loro esperimenti, gli scienziati possono distinguere i segnali provenienti da diversi tipi di cellule nervose. Hanno controllato le loro misurazioni utilizzando una tecnica collaudata che toccava il tessuto e misurava direttamente l’elettricità. Mostrano anche come modificare artificialmente l'attività dei neuroni nel tessuto utilizzando un farmaco che blocca canali specifici nelle cellule nervose.
"Alla fine, l'idea è che quando si ha un paziente in cui si sospetta qualche tipo di malattia neurodegenerativa, si possono utilizzare metodi derivati dai nostri esperimenti per diagnosticare la condizione precisa", conclude Huck. Sottolinea, tuttavia, che occorre ancora molto lavoro affinché ciò avvenga:
"Se confrontiamo la nostra tecnica con altri metodi in uso oggi, che esistono da decenni, sono comunque migliori di quello che possiamo fare adesso. Siamo in una fase iniziale e c'è ancora molto lavoro da fare prima che questa tecnica possa essere adottata." essere trasferito e applicato in un ambiente clinico. La ricerca nei centri NV e l'esplorazione delle aree di applicazione più adatte sono ancora in una fase iniziale:si tratta di un campo nascente."
Ulteriori informazioni: Nikolaj Winther Hansen et al, Registrazione magnetica su scala microscopica dell'attività elettrica neuronale cerebrale utilizzando un sensore quantistico di diamante, Rapporti scientifici (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39539-y
Informazioni sul giornale: Rapporti scientifici
Fornito da DTU (Università Tecnica della Danimarca)
